JP3216761B2 - カルマン渦流量計 - Google Patents

カルマン渦流量計

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、空気や水等の流量を測
定するカルマン渦流量計における、流量出力制御手段に
関する。
【0002】
【従来の技術】カルマン渦流量計は、流体の流れの中に
柱状の障害物を置いたとき、流れの方向に直交する障害
物の両端から流体の流速に比例する周波数で交互に渦が
発生する現象を利用した流量計である。このカルマン渦
流量計の流量検出部には、障害物によって渦が発生する
ときの流体のわずかな圧力変動を捉える圧電素子などか
らなるカルマン渦センサと、このカルマン渦センサが出
力する微弱な信号を増幅し、この値が一定の閾値を超え
たとき一定波形のパルス信号を出力する波形整形回路と
が設けられており、カルマン渦流量検出部からは流体の
流量に対応した周波数のカルマンパルス信号が発信され
る。
【0003】上記のカルマンパルス信号を検出して流量
を演算出力する伝送部においては、従来、予め定めた一
定のサンプリング周期内にカルマン渦流量検出部から伝
送部に入力されたカルマンパルス信号間の周期の総和と
パルス信号の総数とを計測し、パルス信号の総数をパル
ス信号間の周期の総和で除してサンプリング周期におけ
るカルマンパルス信号の周波数を求め、この周波数値を
流量値に変換演算処理することによって流体の流量を計
測出力している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】カルマン渦流量計の流
量検出部は、カルマン渦センサが出力する微弱信号を増
幅し、増幅信号が一定の閾値を超えたとき一定波形の整
形パルス信号を出力しているので、流体の流れの「ゆら
ぎ」などの要因によってカルマン渦センサの出力信号が
低下して閾値以下になると整形パルス信号が発信されな
い「パルス抜け」が起きてしまうことがある。
【0005】この「パルス抜け」が発生したとき、上記
従来技術による伝送部は入力パルス信号の総数を「パル
ス抜け」の分少なく計数するので、演算によって求めら
れる周波数は、実際のカルマンパルスの周波数より低周
波数になり流量計測出力値に大きな誤差を生じることと
なる。本発明は、「パルス抜け」が発生したとき、周波
数値をもとめて流量値を演算出力する処理を無効とし、
誤った流量計測結果が出力されることがないカルマン渦
流量計の伝送部を提供してカルマン渦流量計による流量
計測の信頼度を向上させることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】カルマン渦流量計におい
て1パルスの「パルス抜け」が発生すると、サンプリン
グ周期中のパルス計数値は1カウント少なく計数される
とともに、「パルス抜け」が発生したとき隣接するパル
ス間の周期は「パルス抜け」がない場合の約2倍として
計測されるが、通常の流体の流れ中では、よほど極端な
流量の急変があった場合でも隣合う周期の測定結果が2
倍も異なるようなことはない。
【0007】そこで、カルマン渦流量計における「パル
ス抜け」による誤差の発生防止のため、本発明において
は、カルマン渦流量計の伝送部を、システムクロックが
与えるタイミングで演算と出力のステップ処理を行うマ
イクロコンピュータと、演算出力処理を実行する周期を
与える基準周期タイマと、前記カルマン渦流量検出部が
発信するパルス信号間の時間間隔を測定するパルス周期
測定カウンタと、このパルス周期測定カウンタが測定値
を出力する都度この出力値を出力の順に記憶格納してお
く測定周期カウンタ領域とマイクロコンピュータにおい
て実行される演算処理の過程で生成される計数値と仮数
値とを一時記憶しておく領域を設定したRAMと、演算
処理の手順が格納されているROMと、演算処理の結果
を出力する出力部とによって構成する。
【0008】そうして、基準周期タイマがサンプリング
周期をカウントアップしたとき、ROMからマイクロコ
ンピュータが呼び出す周波数・流量の演算プログラム
に、RAMに設定の測定周期カウンタ領域に格納の測定
周期の値をもとに、サンプリング期間における周期基準
値を定め、この周期基準値と前記測定周期カウンタ領域
に記憶の各周期測定値を順番に比較し、周期基準値と予
め定めた一定比率以上の偏差の周期測定値を検出したと
き、この周期測定値と、この周期測定値を与えるパルス
のカウントとをサンプリング期間における積算対象デー
タから除外する処理を設ける。
【0009】
【作用】この発明に基づくカルマン渦流量計の伝送部に
おいては、パルス周期測定カウンタがカルマン渦流量検
出部が発信するパルス信号間の時間間隔を測定して出力
する都度、この出力値は出力の順にRAMの測定周期カ
ウンタ領域に格納され、基準周期タイマがサンプリング
周期をカウントアップしたとき、周波数・流量演算プロ
グラムがRAMの測定周期カウンタ領域に格納の測定周
期の値をもとに、サンプリング期間における周期基準値
を定め、この周期基準値と前記測定周期カウンタ領域に
記憶の各周期測定値を順番に比較し、周期基準値の予め
定めた一定倍率以上の値の測定周期を検出したとき、こ
の周期測定値と、この周期を与えたパルスのカウントと
をサンプリング周期における積算対象データから除外す
る処理を行っているので、流量値を求めるための周期測
定値とパルス数の積算値に「パルス抜け」が生じたとき
のデータが含まれないこととなる。
【0010】
【実施例】本発明によるカルマン渦流量計の一実施例の
概略構成を図1に示す。図1において、1は流体の流速
に比例する周波数の信号を発生するカルマン渦センサ
と、このカルマン渦センサが発生する微弱信号を増幅整
形して出力する波形成形回路とを備えたカルマン渦流量
検出部である。
【0011】2は、前記カルマン渦流量検出部1が発信
するカルマン渦パルス信号を入力信号とし、流量値を演
算によって求めて出力する下記3ないし9の構成要素か
らなる伝送部である。伝送計測部2において、3は、カ
ルマン渦流量検出部1の出力パルス信号を受信して、流
量を求める演算を行い、これを出力する処理を行うマイ
クロコンピュータであり、システムクロック4が与える
タイミングでステップ動作する。
【0012】5は、カルマン渦流量検出部1の出力パル
ス信号を受信して行う計測演算処理の実行周期を、シス
テムクロック4のクロック信号を分周することによって
生成する基準周期タイマ(SCT)であり、6は、カル
マン渦流量検出部1が発信するパルス信号をトリガーと
して起動され、次のパルス信号が入力されるまでの時間
間隔をシステムクロック4のクロック信号を数えること
によって計測し、次のパルス信号が入力されて、このと
きまでの計測値がマイクロコンピュータ3に転送される
と、次のパルス到来までの時間間隔の計測が再起動され
るパルス間隔測定カウンタであり、カルマン渦流量検出
部1の出力信号はマイクロコンピュータ3のパルス周波
数測定に係わる割込み入力端子INT2を経てこのパル
ス間隔測定カウンタ6に入力される。
【0013】ROM8は、マイクロコンピュータ3の動
作プロセスが格納されている読み出し専用の記憶手段で
あり、格納プログラムには、基準周期タイマ5がカウン
トアップして割込み要求信号INT1がマイクロコンピ
ュータ3に入力されたとき、呼び出されて処理を行うサ
ンプリングプログラム(81)と周波数・流量演算プログ
ラム(83)及び流量検出部1がパルスを発信したとき、こ
れを割込み信号INT2として起動される周期測定プロ
グラム(82)が含まれている。
【0014】RAM7は、マイクロコンピュータ3の演
算処理の実行過程で、一時記憶が必要となる状態を表す
符号(フラグ)やカウント値を一時格納しておく随時書
き込み読み出し可能な記憶手段である。このRAM7の
記憶領域には、カルマン渦流量検出部1が出力パルスを
発信する都度、これをカウントするパルス数カウンタ
(NPC)と、引き続くパルス間の時間間隔をパルス周
期測定カウンタ6が測定して発信する都度、この値を発
生順に格納しておく測定周期カウンタ(TF(n) )と、
積算して格納しておく積算周期カウンタ(TTC)とが
確保されており、これらのカウンタには、演算出力処理
実行の間、各カウンタに格納された値を一時保持してお
く各カウンタに対応のバッファ領域(NPB,TB(n)
,TTB)が確保されている。そして、RAM7に
は、上記のパルス周期積算カウンタの積算値TTCが予
め定めた上限値MTCを超えたのでパルス間隔測定結果
の積算を終了させるとき、終了を示す測定終了フラグ
(EDF)と、パルス間隔の計測積算の処理を実行中で
あるのか実行待機中であるかを示すパルス間隔測定フラ
グ(PTF)と、を格納する領域も確保設定されてい
る。
【0015】さらに、RAM7には、上記のパルス間隔
積算バッファ(TTB)とパルス数バッファ(NPB)
の格納値とによって周波数の値を演算処理して求めると
きに用いる周波数バッファ(FRB)と、基準周期タイ
マ5が流量測定周期を定めるに当たってカウントすべき
計数値を納めるサンプリング時間カウンタ(STC)と
が設けられている。
【0016】次に、図2にないし図5に本発明に基づき
マイクロコンピュータ3が実行する演算処理プログラム
の1実施例のフローを示し、以下にこれらの図によって
本発明のカルマン渦流量計の動作を説明する。図1に例
示の本発明によるカルマン渦流量計の伝送部2は、初期
条件が設定されてスタンバイされたとき、基準周期タイ
マ5からの割込みを上位とし、基準周期タイマ5に設定
されたサンプリング周期に比べて短い時間間隔で発生す
るカルマン渦流量検出部1の出力パルスによる割込みを
下位とする割込み待機の状態に入る。
【0017】基準周期タイマ5がサンプリング時間カウ
ンタ(STC)をカウントアップして基準周期タイマ5
から割込み要求がマイクロコンピュータ3の割込み要求
端子INT1に入力されると、ROM8から図2のフロ
ーのサンプリングプログラム(81)が呼びだされて起動
される(S0)。図2に示されているように、サンプリ
ングプログラム(81)は起動されたとき、最初にカルマ
ン渦流量検出部1の出力パルスによる割込みを一旦マス
クして測定終了フラグ(EDF)の状態を調べる(S
1,S2)。
【0018】測定終了フラグ(EDF)の値が1でパル
ス周期の測定終了が示されているときには、パルス数カ
ウンタ(NPC)と各測定周期カウンタ(TF(1) 〜T
F(NPC) )および積算周期カウンタ(TTC)に格納さ
れている測定値を、周波数・流量値演算処理実行のあい
だ保持しておくため、それぞれのカウンタに対応して設
けられているバッファ(NPB,TB(1) 〜TB(NPC)
,TTB)に転写退避する(S3)。一方、測定終了
フラグ(EDF)の値が0で測定が終了していないこと
が示されている場合には、パルス数バッファ(NPB)
の値をゼロクリアしてパルス周期の測定終了を待機する
状態を維持する(S4)。
【0019】上記の測定終了フラグ(EDF)検査結果
による処理を完了したとき、測定終了フラグ(EDF)
とパルス周期測定フラグ(PTF)それぞれに0を設定
し、カルマン渦流量検出部1の出力パルス信号の周期測
定が未開始かつ未終了の状態にあることが示されるよう
にして(S5)、さきにマスクしたカルマン渦流量検出
部1の出力パルスによる割込みを許可する(S6)。そ
れゆえ、この処理が終わったとき、伝送部2は基準周期
タイマ5からの割込みを上位とし、流量検出部1の出力
パルスによる割込みを下位とする割込み待機状態に戻っ
ている。
【0020】引き続いてパルス数バッファの格納値NP
Bを調べ(S7)、この値が0であるときには直接流量
値Qを0とする処理を行い(S9)、NPBが0でない
ときにはROM8から周波数・流量演算プログラム(8
3)を呼びだして流量値Qを求める演算処理を実行し
(S8)、得られた流量値Qの出力処理を実行して基準
周期タイマ5からの割込みから復帰する(S10,S1
1)。
【0021】次に、周波数・流量演算プログラム(83)
の説明に先だちカルマン渦流量検出部1の出力パルスに
よる割込み工程について説明する。カルマン渦流量検出
部1の出力パルスがマイクロコンピュータ3の割込要求
端子INT2に入力されると、図3のフローの周期測定
プログラム(82)が呼びだされて処理が遂行される(K
0)。
【0022】周期測定プログラム(82)は、カルマン渦流
量検出部1の出力パルスによる割込みがあったとき、一
旦、出力パルスによる割込みをマスクしてパルス周期測
定フラグ(PTF)の状態を調べ(K1,K2)、PT
Fがパルス間隔を測定中でないことを示す0のときに
は、この入力パルスから次の入力パルスまでの周期を測
定すべく、パルス周期測定カウンタ6のカウント値PC
Cを初期化して起動し(K3)、パルス数カウンタ(N
PC)とパルス周期積算カウンタ(TTC)も初期化し
たのち(K4)、パルス周期測定フラグ(PTF)に測
定中を表す1を設定して(K5)カルマン渦流量検出部
1出力パルスによる割込みを許可(K6)して割込みか
ら復帰する(K12)。
【0023】一方、パルス周期測定フラグ(PTF)が
測定中の1を示しているときには、パルス数カウンタの
格納値NPCをインクリメントし(K7)、パルス周期
測定カウンタ6の計測値PCCをNPC番目の測定周期
カウンタ(TF(NPC) )に転送した後初期化し(K
8)、パルス周期積算カウンタの格納値TTCに転送し
た測定周期カウンタの値TF(NPC) を加算して新たなT
TCの値とする(K9)。そして、新たなパルス周期積
算カウンタの格納値TTCを、周波数が必要な分解能で
得られるようサンプリング周期で許容される範囲内の大
きい値として予め設定したパルス周期積算値の上限設定
値MTCと比較し(K10)、TTCがMTCを超えてい
ない場合には、先にマスクされているカルマン渦流量検
出部1の出力パルスによる割込みを許可して割込みから
復帰するが(K6,K12)、TTCがMTCを超えてい
る場合には、測定終了フラグ(EDF)に終了を表す1
を設定した後、カルマン渦流量検出部1の出力パルスに
よる割込みを解除しないまま割り込みから復帰する(K
11,K12)。
【0024】上記の処理によって、カルマン渦流量検出
部1からのパルス信号で割込みがかかる都度、パルス数
カウンタ(NPC)にはカルマン渦流量検出部1から発
信されたパルスの数が格納され、引続くパルス間の時間
間隔がパルス周期としてパルス周期測定カウンタ6で計
測され、計測された周期の値PCCがNPC番目の測定
周期カウンタ(TF(NPC) )に格納されるとともに、パ
ルス周期積算カウンタ(PTC)に積算されることとな
る。
【0025】次に、サンプリング周期終了時にROM8
から呼びだされて実行される周波数・流量演算処理プロ
グラム(83)の1実施例のフローを図4に示し、以下こ
のプログラムについて説明する。図4の実施例のプログ
ラムは、測定周期バッファ(TF(1) 〜TF(NPC) )に
格納されたパルス周期測定結果のうち最初の3データ
(TF(1),TF(2),TF(3) )を基にパルス抜けの恐れ
のない周期の基準値TRを求め、この周期基準値TRと
各測定周期バッファの値TF(n) (n=1〜NPC )を順
次比較し、周期基準値TRの一定倍率C以上の値を示す
測定結果はパルス抜けを生じているデータとして周波数
・流量演算処理から除外し、パルス抜けのない正しい結
果が得られるようにしたプログラムである。
【0026】図4にフローを例示の周波数・流量演算プ
ログラムは、起動されたときパルス数バッファに退避さ
れたサンプリング周期中にマイクロコンピュータ3が検
出したパルス信号の総数NPBを調べ(F1)、この値
が3未満の場合にはパルス数バッファ格納値NPBと積
算周期バッファに退避された積算周期の値TTBとをそ
のまま用いて式(1)の演算を行って周波数の値FRB
を求め、この周波数の値FRBに換算定数Kを乗ずる式
(2)の演算を行って流量値Qを算出する(F4)。
【0027】
【数1】FRB=NPB/TTB (1)
【0028】
【数2】Q=K×FRB (2) 一方、パルス信号の総数NPBが3以上の場合には、パ
ルス周期測定結果の最初の3データTF(1),TF(2),T
F(3) を相互に比較して最大値のデータを除外した残り
の2データの平均値を求めて周期基準値TRとして定め
(F2)、この周期基準値TRに一定の係数Cを乗じた
値C×TRと測定周期バッファに保持されているカルマ
ン渦流量検出部1が発信した隣接するパルス信号間の周
期の値TF(n) を順次最後のデータまで比較検査し、C
×TRの値を超えるデータが検出される毎に、検出され
たパルス周期バッファの値TB(n) を積算周期バッファ
の保持値TTBから減ずるとともに、パルス数バッファ
の保持値NPBから1カウント減ずる処理を繰り返す
(F3)。なお、上記の処理における定数Cの値は、1
パルスの抜けが発生するとパルス周期が約2倍に計測さ
れることから1以上2未満の例えば1.5 などに設定して
おく。
【0029】上記の処理が測定周期バッファの最後のデ
ータTB(NPB) まで実行されて終了したとき、新たに積
算周期バッファに得られた値TTBと、パルス数バッフ
ァに得られたNPBとを用いて式(1)の演算を行って
周波数の値FRBを求め、この周波数の値FRBに換算
定数Kを乗じて流量値Qを算出する(F4)。ところ
で、1サンプリング周期中にカルマン渦流量検出部が発
信する出力パルスの数は通常1に比べて十分に大きいの
で、サンプリング周期中に多少の「パルス抜け」が発生
してもパルス数カウンタに得られるサンプリング周期中
における積算パルス数の値は「パルス抜け」がない場合
の値と大きく異なることはない。このような場合には、
「パルス抜け」も含めて積算された積算周期カウンタの
値をパルス数カウンタで除して得られる平均周期の値を
「パルス抜け」を検出するための基準周期の値として用
いる図5に例示の簡易化した周波数・流量演算プログラ
ムを採用することができる。
【0030】
【発明の効果】本発明によるカルマン渦流量計の伝送部
には、カルマン渦流量検出部が発信するパルス信号間の
時間間隔を測定するパルス周期測定カウンタが測定値を
出力する都度この出力値を出力の順に記憶格納しておく
測定周期カウンタ領域をRAMに設け、基準周期タイマ
がサンプリング期間をカウントアップしたとき周波数を
求めて流量を演算する処理手順に、RAMに設定の測定
周期カウンタ領域に格納の測定周期の値をもとに、サン
プリング期間における基準周期を定め、この基準周期の
値と前記測定周期カウンタ領域に記憶の各周期測定値を
順番に比較し、基準値と予め定めた一定比率以上の偏差
の周期測定値を検出したとき、この周期測定値と、この
周期測定値を与えるパルスのカウントとをサンプリング
期間における積算対象データから除外する処理が設けら
れているので、カルマン渦流量検出部において、整形パ
ルス信号が発信されない「パルス抜け」が発生して測定
周期カウンタ領域に正常なパルス周期に比べて長い周期
の値が格納されても、この値は周波数・流量を求める演
算に用いるデータから除外されて正しい周波数・流量の
値を得ることができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明によるカルマン渦流量計の一実施例の
概略構成図
【図2】第1の発明による測定基準周期タイマ割込処理
のプログラムフロー図
【図3】第1の発明による流量検出部出力パルス割込処
理のプログラムフロー図
【図4】第1の発明による周波数・流量値演算処理のプ
ログラムフロー図
【図5】第1の発明による周波数・流量値演算処理の他
の実施例のプログラムフロー図
【符号の説明】
1 カルマン渦流量検出部 2 伝送部 3 マイクロコンピュータ 4 システムクロック 5 基準周期タイマ 6 パルス間隔測定カウンタ 7 RAM 9 出力信号変換部 PTF パルス周期測定フラグ EDF 測定終了フラグ NPC パルス数カウンタ NPB パルス数バッファ TF(n) 測定周期カウンタ TB(n) 測定周期バ
ッファ TTC 積算周期カウンタ TTB 積算周期バッファ FRB 周波数バッファ STC サンプリング時間カウンタ 8 ROM 81 サンプリングプログラム 82 周期測定プログラム 83 周波数・流量演算プログラム
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−56220(JP,A) 特開 昭61−96414(JP,A) 特開 平2−266230(JP,A) 実開 昭63−63722(JP,U) 実開 平6−30725(JP,U) 特許3147648(JP,B2) 特許2646527(JP,B2) 特公 昭63−2449(JP,B2) 特公 平4−32972(JP,B2) 特公 平4−32973(JP,B2) 特公 平5−70086(JP,B2) 特公 平6−95028(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01F 1/32

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】カルマン渦センサを流量検出端とするカル
    マン渦流量検出部と、該流量検出部の出力パルス信号を
    計測して流量を求める演算と出力処理を行う伝送部とか
    らなるカルマン渦流量計であって、 前記伝送部は、システムクロックが与えるタイミングで
    演算と出力のステップ処理を行うマイクロコンピュータ
    と、演算出力処理を実行するサンプリング周期を与える
    基準周期タイマと、前記カルマン渦流量検出部が発信す
    るパルス信号間の時間間隔を測定するパルス周期測定カ
    ウンタと、このパルス周期測定カウンタが測定値を出力
    する都度この出力値を出力の順に記憶格納しておく測定
    周期カウンタ領域と、マイクロコンピュータが実行する
    演算処理の過程で生成される計数値と仮数値とを一時記
    憶しておく領域を設定したRAMと、マイクロコンピュ
    ータが実行する演算処理のプログラムを格納したROM
    と、演算処理の結果を出力する出力部とからなり、 前記基準周期タイマがサンプリング周期をカウントアッ
    プしたとき、前記ROMからマイクロコンピュータが呼
    び出す周波数・流量の演算プログラムに、前記RAMに
    設定の測定周期カウンタ領域に格納の測定周期の値をも
    とに、該サンプリング周期においてカルマン渦流量検出
    部が出力するパルス信号の周期基準値を定め、この周期
    基準値と前記測定周期カウンタ領域に記憶の各周期測定
    値を順番に比較し、周期基準値と予め定めた一定比率以
    上の偏差の周期測定値を検出したとき、この周期測定値
    と、この周期測定値を与えるパルスのカウントとを該サ
    ンプリング周期における積算対象データから除外する処
    理手順を設けたことを特徴とするカルマン渦流量計。
  2. 【請求項2】RAMに設定の測定周期カウンタ領域に格
    納の測定周期の値をもとにサンプリング周期においてカ
    ルマン渦流量検出部が出力するパルス信号の周期基準値
    を定める演算処理が、測定周期カウンタ領域に格納の測
    定周期の値の先頭から順に3以上の複数データを指定し
    て相互に比較し、値の小さい順に2以上で指定データ数
    より少ないデータを抽出し、抽出データの平均値を求め
    る演算処理であることを特徴とする請求項1に記載のカ
    ルマン渦流量計。
  3. 【請求項3】RAMに設定の測定周期カウンタ領域に格
    納の測定周期の値をもとにサンプリング周期においてカ
    ルマン渦流量検出部が出力するパルス信号の周期基準値
    を定める演算処理が、測定周期カウンタ領域に格納の全
    ての測定周期の値の平均値を求める演算処理であること
    を特徴とする請求項1に記載のカルマン渦流量計。
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